Flexibilisierung Roboter automatisieren die Batterieproduktion

Ein Gastbeitrag von Oumayma Grad, Yamaha Motor Europe

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Wenn die Nachfrage nach E-Mobilität steigt, rückt die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien als neue Schlüsselindustrie in den Fokus. 80 Prozent der Prozesse gelten hier bereits automatisiert. Yamaha skizziert gezielte Robotik-Lösungen.

Mit ihrem riemenlosen Antrieb ermöglichen die Scararoboter YKXG eine gleichbleibende Genauigkeit – ein Kernkriterium in der Batterieproduktion.
Mit ihrem riemenlosen Antrieb ermöglichen die Scararoboter YKXG eine gleichbleibende Genauigkeit – ein Kernkriterium in der Batterieproduktion.
(Bild: Yamaha )

Der Markt ist da, und er wächst rasant: Batterien werden in Zukunft eine zentrale Rolle in der nachhaltigen Energieversorgung und Mobilität spielen. Vor allem werden erschwingliche, qualitativ hochwertige Lithium-Batteriepakete mit verschiedenen kWh-Kapazitäten benötigt, um Fahrzeuge wie E-Bikes, Drohnen und kleine Stadtautos bis hin zu großen Elektrofahrzeugen (BEVs), Lastwagen und Bussen anzutreiben. Und um die Stabilität der grünen Stromnetze von morgen zu gewährleisten, sind containergroße Batterie-Arrays als Energiespeicher für private, gewerbliche und versorgungstechnische Anwendungen erforderlich.

Asien liegt vorn, Europa will Kapazitäten ausbauen

Korea und China haben frühzeitig investiert und geplant und haben sich so zu den heute führenden Standorten für die Batterieherstellung entwickelt. China gilt als weltweit größter Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien, auf den etwa 80 Prozent der weltweiten Produktion entfallen. McKinsey geht davon aus, dass die gesamte chinesische Produktionskapazität bis 2025 etwa 1.220 GWh betragen wird.

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Der beschleunigte Wandel hin zu fossilfreier Mobilität, den die westlichen Regierungen aktuell planen, erfordert auch in Europa den Aufbau regionaler Kapazitäten für die Herstellung von Lithiumbatterien. Medien berichteten bereits von Plänen für neue Fabriken und die Erweiterung bestehender Anlagen, die die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien bis 2025 auf fast 500 GWh und bis 2030 auf fast 800 GWh steigern könnten. Automatisierung wird hier zu einem Schlüssel, um die Kapazitäten schnell, effizient und sicher auszuschöpfen.

Groß skizziert lassen sich Batteriepacks für den Automobil-, E-Mobilitäts- und Allzweckmarkt mit zylindrischen Zellen in Standardgrößen wie dem Formfaktor 18650 (18 mm Durchmesser, 65 mm Länge) oder mit Flachzellen in Standard- oder kundenspezifischen Größen bauen. Bei einer Flachzelle kann es sich um eine prismatische Zelle handeln, die in der Regel in einem quadratischen, geschweißten Aluminiumgehäuse untergebracht ist, oder auch um eine flexible Pouch-Zelle. Während zylindrische Zellen von einer hohen Festigkeit und Langlebigkeit profitieren, können flache Zellen den Platz im Akkupack effizienter nutzen. Pouch-Zellen, die kein Metallgehäuse haben, sind am platzsparendsten und leichtesten, allerdings ist in der Regel eine zusätzliche mechanische Verstärkung innerhalb des Batteriepacks erforderlich.

Koordinaten für die wirtschaftliche Batterieproduktion

Bei beiden Zellentypen beginnt die Herstellung mit dem Vorbereiten und Aufbringen aktiver und leitender Beschichtungen auf die Elektrodenblätter und dem Laminieren der Blätter. Präzision und Wiederholgenauigkeit sind äußerst wichtig, um die Konsistenz etwa der Zusammensetzung und Dicke der Beschichtung zu gewährleisten. Die exakte Übereinstimmung der Zellenparameter innerhalb der Batterie trägt so zur Sicherheit und Langlebigkeit bei.

Das wiederum ist nicht nur ein Qualitätsmerkmal, sondern auch ein Schlüsselfaktor für die E-Mobilität und ihre breite Akzeptanz. Auch auf Reichweite und Erschwinglichkeit hat die Batterie einen entscheidenden Einfluss. Eine Erhöhung der Batteriekapazität bedeutet eine größere Reichweite, gleichzeitig jedoch auch höhere Fahrzeugkosten. Ein Angleichen der Kosten an Fahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsmotor erwarten Experten für das Jahr 2025. Und ab 2030 werden in den wichtigsten westlichen Märkten und China wohl keine Neuwagen mit Verbrennungsmotor mehr zu kaufen sein.

Zuvor allerdings müssen die Hersteller die Kosten der Batterien für Elektrofahrzeuge senken. Skalierungseffekte werden sicherlich hilfreich sein. Aber auch die Maximierung der Produktivität in der Fertigung ist von entscheidender Bedeutung, wenn Autos auch nach dem Verbot für Verbrenner nachgefragt werden.

In der Automatisierung liegt der Schlüssel, um den Anforderungskatalog in der Batterieproduktion an Geschwindigkeit und Wiederholgenauigkeit zu erfüllen, ohne die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit nicht realisierbar wäre.

Dabei kommen in den einzelnen Prozessschritten häufig kundenspezifische automatisierte Anlagen zum Einsatz, beispielsweise für die Vorbereitung und das Auftragen von Beschichtungen auf Elektrodenfolien, beim Laminieren der Folien, dem Schneiden in Streifen und Anbringen von Elektroden mittels Schweißen.

Für den Bau einer zylindrischen Zelle werden die Streifen zu einem Zellkern mit Anode, Separator und Kathode gewickelt, der dann in das zylindrische Gehäuse eingesetzt wird. Das Gehäuse ist gerillt, um den Kern zu fixieren, mit Elektrolyt gefüllt, abgedichtet und mit externen Kontakten versehen. Flachzellen werden in einer ähnlichen Verfahrensabfolge hergestellt, einschließlich des Stapelns der Elektrodenschichten, des Verschweißens des prismatischen Gehäuses oder des Formens und Abdichtens des Pouch mit Hilfe von Heißsiegel- und Vakuumversiegelung. Die Zellen und Batteriepacks werden einer elektrischen Prüfung und einer automatischen Röntgenprüfung unterzogen, um ihre Leistung und Funktionsfähigkeit sicherzustellen.

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Automatisierung hilft bei der Flexibilisierung

Roboter helfen mit kurzen Zykluszeiten und einem präzisen, wiederholgenauen Betrieb, den Fertigungsablauf effizienter zu gestalten. Außerdem beschleunigt der Einsatz programmierbarer Standardroboter die Systemintegration. Weitere Vorteile sind die einfache Skalierbarkeit und die Flexibilität, das Fabriklayout und die Montageprozesse an die sich ändernden Markt- und Kundenanforderungen schnell anzupassen.

Yamaha fokussiert dieses Applikationsfeld und seine Roboter bereits an Batteriehersteller in ganz China und Korea geliefert, in die Zentren der größten und erfolgreichsten Batteriehersteller. Die Roboter übernehmen hier ausgewählte Prozesse im Fertigungsablauf. Tatsächlich werden in China derzeit mehr als 3000 Scara-Roboter in der Batterieproduktion eingesetzt, und zwar großen Teilen zum Be- und Entladen von Materialien, Bauteilen und teilweise fertigen Baugruppen, wenn die Batterien von einem automatisierten Fertigungsprozess zum nächsten wechseln. Voraussetzung für diese Be- und Entladevorgänge sind naturgemäß Genauigkeit und hohe Geschwindigkeit. Das Gleiche gilt für Wiederholgenauigkeit und Zuverlässigkeit. Aufgrund der hohen Marktnachfrage nach Batterien läuft die Produktion in der Regel rund um die Uhr jeden Tag.

Große Batteriehersteller haben sich bei diesen Applikationen für Yamahas Scara-Roboter YKXG entschieden. Ihr leistungsstarker, riemenloser Antriebsmechanismus mit Motoren mit vertikaler Welle und direkt angetriebener Kugelumlaufspindel ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb über längere Zeiträume mit gleichbleibender Genauigkeit. Vergeudete Bewegungszeit sowie Verschleiß und Bruchgefahr, wie sie bei herkömmlichen riemengetriebenen Alternativen auftreten, entfallen ebenfalls. Der wartungsfreie riemenlose Antrieb senkt zudem die Betriebskosten.

Mit der Einführung von Elektrofahrzeugen steigt die Nachfrage nach einer größeren Reichweite. Im Gegenzug verlangen die Automobilhersteller nach immer leistungsfähigeren Batterien. Die YKXG-Serie wurde entwickelt, um diesem Trend Rechnung zu tragen. Sie bietet eine maximale Nutzlast von bis zu 20 kg für die Handhabung großer Pouch-Zellen und teilfertiger Batteriebaugruppen. Die spezielle R-Achsen-Konstruktion von Yamaha ermöglicht ein hohes Masseträgheitsmoment der Last, was den Roboter in die Lage versetzt, schwere Teile zu handhaben, die Beschleunigung und Abbremsung zu maximieren und die Stabilität aufrechtzuerhalten, was letztlich eine kurze Zykluszeit gewährleistet.

Kartesische Roboter werden auch häufig für Dichtungsprozesse bei der Montage von quadratischen Batteriezellen eingesetzt. Langlebigkeit und Zuverlässigkeit sind für die Aufrechterhaltung der Produktivität von großer Bedeutung. Die kartesischen Roboter von Yamaha verfügen über Resolver zur Positionserfassung, die weder elektronische Bauteile noch optische Elemente enthalten und daher nicht durch Fett oder Staub aus der Fabrik verunreinigt werden können. Daher arbeiten sie sehr zuverlässig und gleichbleibend genau. Darüber hinaus profitieren die Führungsschienen der kartesischen Roboter von einer Zweipunkt-Konstruktion, die die Reibung minimiert und die Schwankungen der Ausrichtung selbst bei der Handhabung von Lasten mit hohen Momenten verhindert.

Bei Transporten mit Tempo sind lineare Fördermodule gefragt

Während einachsige Roboter häufig in Fabriken aller Art eingesetzt werden, bieten die linearen Fördermodule LCMR200 von Yamaha für Anwendungen, bei denen ein Hochgeschwindigkeitstransport von Gegenständen erforderlich ist, einen schnellen, präzisen und flexiblen lokalen Transport zwischen Prozessen und innerhalb von Montagezellen. In Batteriefabriken werden sie häufig für den Transport fertiger Baugruppen zur Röntgeninspektion eingesetzt. Da die einzelnen LCMR200-Module präzise miteinander verknüpft und koordiniert werden können, wird jeweils ein Modul auf beiden Seiten der Schutztür am Eingang des Röntgengeräts installiert, um die Baugruppen in den Inspektionsprozess zu transportieren und die Sicherheit der Bediener in der Nähe zu gewährleisten. Insgesamt sind mehr als 80 Prozent der Prozesse bei der Herstellung der heutigen Hochleistungs-Lithium-Batterien automatisiert, wobei eine Kombination aus herkömmlicher Fabrikautomation und flexiblen, programmierbaren Robotern eingesetzt wird, die zusammenarbeiten, um Qualität und Produktivität zu maximieren.

Yamaha setzt seine Erfahrungen aus ganz Asien – unter anderem in der Zusammenarbeit mit führenden Batterieherstellern und Systemintegratoren – nun auch in Europa ein, um hier die Expansion der hochmodernen Batterieproduktion zu unterstützen.

Der Einsatz von Robotern zur Automatisierung ausgewählter Aspekte der Batteriemontage ermöglicht es Herstellern, Batterien nach genauen Spezifikationen und unter Einhaltung enger Kostenvorgaben herzustellen. Ihre Unterstützung für Hochgeschwindigkeits- und Qualitätsmontage geht einher mit Flexibilität und Skalierbarkeit.

Roboter, die über einzigartige Merkmale zur Verbesserung von Präzision und Langlebigkeit verfügen und sich in den führenden Batterieherstellungsregionen bewährt haben, können dazu beitragen, ein reichhaltiges Angebot an kostengünstigen Batterien sicherzustellen, um die wachsende Nachfrage auf den verschiedenen Märkten weltweit zu bedienen.

Buchtipp

"Industrieroboter" ist ein Handbuch für KMU mit Tipps und Tricks zum Thema Robotereinsatz. Das Buch vermittelt die wichtigsten Grundlagen der Robotertechnik und erläutert Methoden, mit denen bewertet werden kann, ob sich ein Produkt oder Prozess durch Robotik automatisieren lässt.

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* Oumayma Grad ist Marketing Communications Manager bei Yamaha Motor Europe N.V.

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